链斗式连续型卸船机全自动智能控制系统

摘要

本发明公开了一种链斗式连续型卸船机全自动智能控制系统，实现全自动卸货作业，在提高效率的同时减小了司机作业强度。其技术方案为：在原有链斗式连续卸船机控制系统上增加独立的全自动控制器，两套控制系统之间采用通讯连接，使得链斗式连续型卸船机能够在手动操作模式下各机构能实现协调运动；在自动操作模式下，通过第一次司机手动操作进行路径自学习，而后则由全自动控制器完全代替人工进行卸船操作，司机只进行必要的人工干预。

说明书

技术领域

本发明涉及一种控制系统，尤其涉及在链斗式连续型卸船机上应用的可全自 动实现智能控制的系统。

背景技术

随着码头建设大型化、专业化的发展，以及科学技术不断进步、港口装备设 计制造水平不断提高，散货码头的卸船设备也不断在进行升级换代。大型港口卸 船设备的高效稳定作业对提高卸船效率、降低卸船成本、缩短船舶停港时间起着 决定性作用。

目前国内外散货码头的主要卸船设备为抓斗式卸船机，抓斗式卸船机的发展 有百年历史，其设计和制造均比较成熟，运行性能可靠以及易于维护保养使其应 用于国内为各大小散货码头。但是其物料传送的方式注定在作业时会产生大量的 粉尘，虽然配备了相应的除尘技术，但对环境的影响还是存在的。随着社会对节 能环保越来越重视，之前不被看好的链斗式连续型卸船机正凭借着其高效、节能、 环保等特点逐步应用于国内为专业散货码头。

链斗式连续型卸船机的整机结构如图1所示，其主要机构有链斗提升(Bucket  elevator，简称BE)机构、BE伸缩机构、BE回转机构、臂架俯仰机构、臂架回 转机构及大车行走机构。其工作原理为：物料由链斗提升机构在船舱中连续取料 并提升，链斗翻转将物料卸至回转给料盘上，回转给料盘旋转将物料输送至臂架 传送带，物料经臂架传送带至输出传输带最后至码头地面传送带上，最后将物料 传送至堆场。链斗式连续型卸船机从船舱中进行取料至输送到地面传送带整个过 程都是在封闭的环境下进行，有效抑制了卸船作业时产生粉尘对环境的影响。现 在很多码头的地面传送带也采用封闭形式，这样整个物料传输过程对环境的影响 降到最低。

如图2所示，链斗式连续型卸船机在卸货作业时需要几大机构同时协调运动， 比如实现在船舱中进行垂直方向卸货时(垂直联动分解运动)需要大车机构及臂 架、BE回转机构同时进行动作，通过司机进行手动控制分步完成这些机构动作的 话，增加了司机作业难度和强度，而且卸货的效率也大大降低，做不到卸货量的 保证。日本住友公司在链斗式连续型卸船机控制技术方面起步的较早，在韩国现 代钢铁码头上作业的连续卸船机都使用了住友的控制系统。这套系统由一个独立 的PLC作为控制核心，将整机的位置信息、结合各机构的机械参数，能够进行联 动控制，即司机通过一个操作手柄，可实现对应各机构的联动动作。该技术对外 封闭，没有权限无法观察其内部程序结构，所以应用也受到限制，而且这套系统 本身价格昂贵，国内目前没有与其竞争的对手。因而研发设计一套高效的全自动 控制系统，能够超越原来的控制理论、提高技术含量和市场竞争力。而且国内这 这方面目前技术空白，本专利的实施也是打破国外公司在这方面的技术垄断，使 得在国内整个行业的技术上了一个台阶。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述 不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决 定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给 出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

本发明的目的在于解决上述问题，提供了一种链斗式连续型卸船机全自动智 能控制系统，通过增加全自动控制系统，使得司机在作业时操控更简单，而且能 够实现全自动卸货作业，在提高效率的同时减小了司机作业强度。

本发明的技术方案为：本发明揭示了一种链斗式连续型卸船机全自动智能控 制系统，包括卸船机主控制器、全自动控制器以及工控机，卸船机主控制器和工 控机建立通讯连接，全自动控制器和卸船机主控制器建立通讯连接，其中全自动 控制器进一步包括：

整机空间坐标系分析转换模块，对链斗式连续型卸船机建立模型，并在链斗 式连续型卸船机的运动关节处定义空间坐标系，基于链斗式连续型卸船机的各部 件的尺寸在各坐标系间进行转换；

卸船路径学习模块，基于对卸船作业的手动操作进行规划路径的学习；

控制输出模块，基于空间坐标系以及规划路径的学习，根据卸船机主控制器 给出的命令、位置、信息进行控制输出，将卸船机中各机构的运动方向和运动量 回传给卸船机主控制器，以驱动各机构实现卸船机挖掘部按照规划路径进行卸货。

根据本发明的链斗式连续型卸船机全自动智能控制系统的一实施例，在整机 空间坐标系分析转换模块中，以大车行走作为基坐标，将链斗式连续型卸船机的 挖掘部的坐标系转换到基坐标系上。

根据本发明的链斗式连续型卸船机全自动智能控制系统的一实施例，卸船路 径学习模块在手动操作模式下，通过操作手柄的方向和大小，结合当前臂架回转 的角度及机械尺寸，计算得出大车机构、臂架回转机构以及链斗提升回转机构运 行的方向和速度，完成一个矩形框的路径学习。

根据本发明的链斗式连续型卸船机全自动智能控制系统的一实施例，卸船路 径学习模块通过样条插补技术实现链斗式连续型卸船机的挖掘部按照规划路径的 点到点的运作。

根据本发明的链斗式连续型卸船机全自动智能控制系统的一实施例，卸船机 主控制器进行整机外围数据采集、单机构逻辑控制以及安全保护。

根据本发明的链斗式连续型卸船机全自动智能控制系统的一实施例，卸船作 业的手动操作包括水平横行、垂直横行以及链斗提升垂直升降。

根据本发明的链斗式连续型卸船机全自动智能控制系统的一实施例，链斗式 连续型卸船机包括链斗提升机构、链斗提升伸缩机构、链斗提升回转机构、臂架 俯仰机构、臂架回转机构以及大车行走机构。

根据本发明的链斗式连续型卸船机全自动智能控制系统的一实施例，全自动 控制器和卸船机主控制器之间通过profinet通讯协议进行连接。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明针对链斗式连续型卸船机的 全自动智能控制系统，在原有链斗式连续卸船机控制系统上增加独立的全自动控 制器，两套控制系统之间采用通讯连接，使得链斗式连续型卸船机能够在手动操 作模式下各机构能实现协调运动；在自动操作模式下，通过第一次司机手动操作 进行路径自学习，而后则由全自动控制器完全代替人工进行卸船操作，司机只进 行必要的人工干预。总的来说，本发明的链斗式连续型卸船机全自动智能控制系 统可以使得链斗式连续型卸船机在自动化控制方面更进一步，对推广具有环保、 节能、高效等特点的连续卸船机的应用更具有意义。

附图说明

图1示出了链斗式连续型卸船机的整机机构示意图。

图2示出了垂直联动动作的分解示意图。

图3示出了简化模型以及坐标定义的示意图。

图4示出了本发明的链斗式连续型卸船机全自动智能控制系统的较佳实施例 的原理图。

图5示出了卸船机三维仿真图。

图6示出了水平、垂直横行控制手柄的示意图。

图7示出了臂架俯仰、BE回转控制手柄的示意图。

具体实施方式

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发 明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的 相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1示出了链斗式连续型卸船机的整机机构，请参见图1，链斗式连续型卸 船机由下而上主要的运行机构为：大车行走机构11(Gantry Travelling)、臂架回 转机构12(Boom Slewing)、臂架俯仰机构13(Boom Luffing)、BE回转机构14 (BE Slewing)、BE摆动机构15(BE Swing)以及挖掘部伸缩机构16(BE  Telescopic)。

图4示出了本发明的链斗式连续型卸船机全自动智能控制系统的较佳实施例 的原理，请参见图4，本实施例的链斗式连续型卸船机全自动智能控制系统，其 包括了：卸船机主控制器21、全自动控制器22以及工控机23。卸船机主控制器 21和工控机23建立通讯连接，全自动控制器22和卸船机主控制器21建立通讯 连接。

卸船作业时通过臂架俯仰和臂架回转运动，将链斗挖掘部放入船舱中，启动 机上皮带系统开始卸船作业。采用逐层卸货的方式进行作业，当取料方向和大车 轨道平行时定义为水平横行，当取料方向和大车轨道垂直时定义为垂直横行，通 过水平横行和垂直横行动作完成将当前作业面，再通过臂架俯仰下降进入下一个 作业面。请参见图2所示，完成水平横行是比较简单的，只要通过大车行走机构 11运行就可以实现；而垂直横行需要由大车行走机构11、臂架回转机构12和BE 回转机构14同时协调运行，保证挖掘部是按照垂直于大车轨道方向运行。当进行 清仓作业时，需要由卸船机将清仓机吊入船舱内，并且保证清仓机在放入船舱过 程中保持水平和垂直方向的绝对位置，避免和船舱口发生碰撞，该功能定义为BE 垂直升降，通过运动分析可知该运动需要由以下机构协调运动完成：大车行走机 构11、臂架回转机构12、臂架俯仰机构13和BE回转机构14。以上这些协调运 动都需要由全自动控制器22进行控制，给出运动方向和量的大小。

卸船机主控制器21进行整机外围数据采集、单机构逻辑控制以及安全保护， 其和全自动控制器22之间是通过profinet通讯协议进行通讯联系的。系统中最重 要的模块是全自动控制器22。全自动控制器22进一步包括整机空间坐标系分析 转换模块221、卸船路径学习模块222、控制输出模块223。

整机空间坐标系分析转换模块221对链斗式连续型卸船机建立模型，并在链 斗式连续型卸船机的运动关节处定义空间坐标系，基于链斗式连续型卸船机的各 部件的尺寸在各坐标系间进行转换。

全自动控制器22最终控制的是挖掘部的运行轨迹，因此挖掘部的位置信息为 关键，通过对链斗式连续型卸船机的机构分析，建立图2所示的简易模型，链斗 式连续型卸船机为8自由度机构，并且在各运动关节处定义空间坐标系。得到 A1-A8共8个坐标系，任何的坐标转换都可以分解为一定顺序的一组平移和旋转， 对于相对的坐标系，变换矩阵采用右乘相对刚体位置矩阵。

以大车行走作为基坐标，沿大车轨道从左至右定义为X轴正方向，垂直大车 轨道由陆测至海测定义为Y轴正方向，大车轨道面垂直向上定义为Z轴正方向， 根据机械设计各部件具体尺寸，各坐标系间进行转换，将挖掘头部A8坐标系转 换到基坐标系上，方便进行位置信息的处理和控制。

卸船路径学习模块222基于对卸船作业的手动操作进行规划路径的学习。

链斗式连续型卸船机以2种操作方式进行卸船作业，分别为手动操作和自动 操作。手动操作模式下，司机通过操作一个控制手柄进行水平、垂直横行和BE 垂直升降功能。在自动操作模式下，首先通过司机手动进行卸船路径学习，全自 动控制器在路径学习完成后将自动控制各机构运行完成当前作业面，司机确认可 进行下一作业面后，继续按照规划路径进行卸船作业。在手动操作模式下，以垂 直横行为列，通过司机操作手柄的方向和大小，结合当前臂架回转的角度及机械 尺寸，计算得出大车机构、臂架回转机构及BE回转机构运行的方向和速度大小。 在自动操作模式下，通过司机操作完成一个矩形框的路径学习，运用的机器人控 制技术，学习规划路径，在规划的范围内进行适合的运动；卸船机挖掘部的运动 实现点到点的运行，运用CNC样条插补技术，达到按照记忆路径运行的要求。

控制输出模块223基于空间坐标系以及规划路径的学习，根据卸船机主控制 器给出的命令、位置、信息进行控制输出，将卸船机中各机构的运动方向和运动 量回传给卸船机主控制器，以驱动各机构实现卸船机挖掘部按照规划路径进行卸 货。

在全自动控制器22中要实现坐标系转换、插补运算、路径学习及重复运动功 能，需要在控制器中进行复杂运算，而且运用到多种程序语言进行编写，相对普 通的逻辑控制器无法满足要求。通过在自动控制领域内各大品牌的比较，选用贝 加莱X20CP1585控制器，并配置Profinet从站通讯卡。

如图4所示，全自动控制器22(贝加莱)和卸船机主控制器21(西门子)之 间通过profinet通讯协议进行连接，两个控制器之间要进行数据交换。卸船机主 控制器21主要负责整机外围数据采集、单机构逻辑控制及安全保护功能；而全自 动控制器22则根据卸船机主控制器21给出的命令、位置、信息等进行控制输出， 将各机构的运动方向、大小的量传回给主控制器，最终体现在各执行机构上。建 立数据交换表明确两个控制器之间的输入和输出，及数据类型。

以下就本发明的链斗式连续型卸船机全自动智能控制系统的配置和测试过程 进行说明。

1、通讯测试

在实验室进行贝加莱和西门子控制器之间的profinet通讯测试，准备相关硬 件搭建测试平台，主要测试profinet配置问题及根据数据交换表进行数据交换测 试，确保数据格式在两个控制器交换中都保持一致。编写两个控制器各自的通讯 程序。

2、编写自动控制器程序和人机界面编辑

全自动控制器内程序主要包括与主控制器通讯程序、坐标位置转换程序、插 补程序及引用机器人控制接口程序及逻辑控制程序。基于空间三维坐标转换的原 理，刚体在空间中的坐标可用矩阵进行表示，空间坐标的转换可分为三类：平移、 旋转和平移旋转的结合。任何坐标系的转换可分解为一组平移和旋转(顺序不能 改变)，对于相对的坐标系，变换矩阵可通过右乘矩阵原则进行，结合机械结构参 数，在全自动控制器中编写矩阵转换程序，以大车行走坐标为基坐标。另外进行 人机界面的编辑，司机可通过人机界面进行相关操作和信息读取。

3、建模及仿真

通过对卸船机的结构分析，应用Solidworks软件建立如图5所示的卸船机模 型，并采用Matlab软件进行程序仿真，验证卸船机各机构运动的正确性。

4、安装自动控制器，建立与主机通讯

在卸船机上安装全自动控制器，进行供电和通讯的接线。将主控制器和全自 动控制器内的程序进行更新，主控制器的配置中加入全自动控制器，使得通讯状 态为正确。此部分还包括司机室内人机界面的更新。

5、数据测试

根据数据交换表，对每一个数据进行模拟测试，包括各机构的位置信息、司 机室人机界面信息、安全保护信息等。确保主控制器和全自动控制器间交换的数 据是正确的。

6、单机构运行空载测试

单独进行卸船机六大机构的测试工作，主要包括机构的运行额定速度、加速 时间是否满足设计要求，全自动控制器设计是完全按照设计要求进行配置，若实 际机构运行速度或者加速度达不到或超出的话将会影响自动运行效果。另外，各 机构的安全保护功能也需要测试完成，终点保护、极限位置保护及紧急停车保护 等，确保在安全的环境下进行自动测试。

7、机构协调运动空载测试

完成全自动控制数据测试和各机构运行测试后，在空旷的水面上进行卸船机 手动操作模式下机构协调运动测试，分别进行水平横行、垂直横行及BE垂直升 降功能测试。首先进行水平横行测，该运动相对较简单，只要进行大车机构的动 作就可以完成(挖掘部沿X轴方向，Y、Z轴保持不变)。司机通过人机界面选择 横行模式，并且控制如图6所示的操作手柄的方向和大小，检查全自动控制器输 出的运动方向和大小是否正确，检查机构运行的跟随性，对机构实际运行速度和 自动控制器输出速度拍波形，判断机构运行情况，必要时进行速度调整。然后进 行垂直横行测试，该运动需要由大车行走机构、臂架回转机构及BE回转机构进 行协调运动(挖掘部沿Y轴方向，X、Z轴保持不变)。司机通过人机界面选择横 行模式，并且控制操作手柄，给出垂直横行的方向和大小，过程中监测全自动控 制器对这3个机构的协调运动输出量的方向和大小，对机构实际运行速度和自动 控制器输出速度进行波形记录，观察挖掘部的坐标变化，确保挖掘部沿Y轴方向 运动。最后进行BE垂直升降测试，该运动需要由大车行走机构、臂架回转机构、 臂架俯仰机构、BE回转机构进行协调运动(挖掘部沿Z轴方向，X、Y轴保持不 变)。司机通过人机界面选择横行模式，并且控制如图7所示的操作手柄，给出 BE垂直升降的方向和大小，过程中监测全自动控制器对这4个机构的协调运动输 出量的方向和大小，对机构实际运行速度和自动控制器输出速度进行波形记录， 观察挖掘部的坐标变化，确保挖掘部沿Z轴方向运动。

以上机构协调运动测试均由慢速开始测试，所有机构运行完全按照控制要求 后将运行速度提升至50％、100％进行测试，最终满足要求完成手动模式下机构协 调运动测试工作。

8、全自动空载功能测试

完成手动模式下机构协调运动测试后进行自动模式功能测试，分两部分一为 路径学习二为按路径自动运行。首先进行路径学习功能测试，将卸船机挖掘部停 放在空旷水面上。司机通过人机界面设定自动模式下卸船效率并选择到自动模式 后，自动进入自学习模式界面，选择“Teaching Start”，并且通过操作横行操作手 柄，将挖掘部停放到起始点按“Teaching Point Confirm”确认当前为第一点位置， 然后通过操作横行操作手柄将挖掘部进行水平、垂直横行运动，与第一点形成一 个矩形框，到达矩形框的每个转角点的位置时按“Teaching Point Confirm”，完成 后数显框内显示为“4”，说明已完成矩形框的4个点的确认输入，最后按“Teaching  Finish”进入到自动运行选择界面。在完成路径学习后全自动控制器将判断当前已 存储的路径是否为有效矩形，若不是则提示路径学习错误，需要重新进行学习， 若路径有效，则司机可根据界面进行操作选择。在这个过程中记录挖掘部当前的 坐标位置。将卸船效率设定到30％进行自动运行测试，过程中观察挖掘部坐标变 化，检查程序中插补计算是否正确，应沿着已存储的路线进行水平横行、垂直横 行运动直至完成当前作业面，挖掘部回到起始点，待司机确认可进行下一层作业 面操作后，臂架俯仰自动下降一定高度，各机构重新开始按照规划路线进行水平、 垂直横行。将卸船效率提高到60％、100％分别进行自动测试，检查在速度提高的 情况下卸船机运行的稳定性。至此全自动功能空载测试完成。

9、实际卸船作业测试

完成全自动空载功能测试后，进行卸船机实际卸船作业测试。分别进行手动 模式和自动模式操作测试，测试方法和空载测试基本相同。首先进行手动模式慢 速及额定速度下卸船作业测试，分别进行水平横行、垂直横行运动，记录各机构 运行速度波形，调整带载情况下各机构的跟随性。手动模式操作满足要求后进行 自动模式测试，速度也是由慢至额定的卸货量，过程中根据卸船实际情况，优化 自动卸船路线和安全保护功能。至此完成全自动控制系统的调试，满足项目的卸 船量要求，完成验收。

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